【正文】 50S11(dB)F re q (G H z ) S11 ?m ?m 圖 512 改進(jìn)饋電后的 C 型槽天線的的掃頻分析結(jié)果 改進(jìn)饋電后的 C 型槽天線的 xoy 平面增益方向圖、 xoz 平面增益方向圖、 yoz 平面增益方向圖和 3D 方向圖分別如圖 51圖 51圖 515 和圖 516 所示。帶寬得到了極大地展寬。 xoy 平面增益方向圖： 圖 529 xoy 平面增益方向圖 xoz 平面增益方向圖： 41 圖 530 xoz 平面增益方向圖 yoz 平面增益方向圖： 圖 531 yoz 平面增益方向圖 3D 模型圖： 圖 532 3D 模型圖 計(jì)算得出，中心頻率為 下的相對帶寬為 %。我們還基于 WLAN 和 GHz WLAN 進(jìn)行雙開 C 型槽天線的設(shè)計(jì)，這兩種頻率是當(dāng)前廣泛使用的頻率，對它們的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。 43 第六章 總結(jié)和展望 本文先對 側(cè)饋矩形微帶天線進(jìn)行設(shè)計(jì)， 驗(yàn)證了理論天線的諧振頻率主要由輻射貼片的長度 L0 決定。且 dy 對高頻的影響較大，對低頻影響較小。 35 改變 C 型槽寬度 width，探討其對諧振點(diǎn)的影響，所得曲線如圖 519 所示： 0 2 4 6 8 105 04 03 02 01 00S11(dB)F re q (G H z ) w i d t h =1m m w i d t h =2m m w i d t h =3m m w i d t h =4m m w i d t h =5m m 圖 519 不同 width 對應(yīng)的曲線 從掃描分析結(jié)果中可以看出，諧振頻率隨著 width 的增加而增加，當(dāng) width=3mm 時(shí)，諧振頻率約為 。計(jì)算得出此 C 型槽天線的相對帶寬為 %，與 節(jié)對比后可以看出本節(jié)研究設(shè)計(jì)的天線在帶寬和尺寸上都有明顯的優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)微帶天線的相對帶寬有了一點(diǎn)的改善。 我們改變 C 型槽離上下邊的距離 dy，從而改變 C 型槽的長度。阻抗匹配的條件為： 微帶線特性阻抗，天線邊緣阻抗，所以波長阻抗轉(zhuǎn)換器的特性阻抗為 。此時(shí)饋電點(diǎn)和輻射貼片邊緣距離為 ,可以計(jì)算出此時(shí)天線的輸入導(dǎo)納，從而推算出天線的輸入阻抗 阻抗匹配 微帶線的尺寸 依據(jù)理論計(jì)算所得到的尺寸，利用 HFSS 軟件畫出的 3D 圖形如 41 所示：（其中饋線和槽分別在兩個(gè)面上，下同） 圖 41 側(cè)饋矩形微帶天線的 HFSS 設(shè)計(jì)模型的 3D模型的俯視圖 仿真結(jié)果如圖 42 所示： 19 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 2 .0 2 .2 2 .4 2 .6 2 .8 3 .0 3 .2 3 .4 3 .6 3 .8 4 .03210S11(dB)F re q (G H z ) S11 圖 42 側(cè)饋矩形微帶天線的掃頻分析結(jié)果 從分析結(jié)果看中可以看出，天線的諧振頻率落在 上。 同軸線饋電 同軸線饋電又稱為背饋，它是將同軸插座安裝在接地板上，同軸線內(nèi)的導(dǎo)體穿過介質(zhì)基片接在輻射貼片上，若尋取正確的饋電點(diǎn)位置，就可以獲得良好的匹配。 如果仿真計(jì)算的天線性能未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用 Optimetrics 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的參數(shù)掃描分析功能 和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能來優(yōu)化天線的結(jié) 17 構(gòu)尺寸，以找到滿足要求的天線設(shè)計(jì)。 運(yùn)行求解分析。 創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。在這些數(shù)值分析方法中，矩量法最為常用，時(shí)域有限差分法，有限元法也運(yùn)用的較為廣泛。散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。矩量法最為常用。特別值得注意的是邊界。一般來說，傳輸線法較適用于在輻射邊附近饋電，并且饋電點(diǎn)位于該邊的對稱軸 上，此時(shí)計(jì)算出的阻抗曲線才有較大的參考價(jià)值。 圖 31 傳輸線模型 （ a）微帶饋線 （ b）同軸饋線 圖 32 微帶天線的等效電路 14 首先，傳輸線模型限制了它只能應(yīng)用于矩形微帶天線及微帶振子。縫上等效磁流密度為 hVyM /2?? 為傳輸線開口端電壓。圖 31 是此種方法的物理模型。 12 （ a） （ b） （ c） 圖 21 窄縫天線的饋電方式 （ a）側(cè)饋 （ b）偏饋 （ c）中心饋電 窄縫微帶天線雖然得到了較廣泛的應(yīng)用，但是它有兩個(gè)很大的缺點(diǎn)：頻帶窄；制作時(shí)對掩膜精度要求較高。 行波狀態(tài)即傳輸線上無反射波出現(xiàn)，只存在入射波的工作狀態(tài)。 反射系數(shù) 傳輸線上某點(diǎn)的反射波電壓與入射波電壓之比，定義為該點(diǎn)的反射系數(shù)，即 (218) 式中 (219) 稱為傳輸線的終端反射系數(shù)。 10 天線的所以電參數(shù)都與工作頻率有關(guān)，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)的中心頻率時(shí)，往往要引起電參數(shù)的變化。極化就是在空間給定上電場矢量的端點(diǎn)隨時(shí)間變化的軌跡。 天線的輸入端是指天線通過饋線與發(fā)射機(jī)（或接收機(jī)）相連時(shí)，天線與饋線的連接處。 最大副瓣的功率密度和主瓣功率密度之比的對數(shù)值，稱為副瓣電平，表示為： (22) 通常要求副瓣電平盡可能低。 8 第二章 天線基礎(chǔ)理論 方向性函數(shù) 天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系式稱為天線的方向性函數(shù)，可以這樣來定義天線的方向性函數(shù)：在離開天線一定距離處，描述天線輻射場的相對值與空間方向的函數(shù)關(guān)系，稱為方向性函數(shù)，表示為 ?（）。 本文的工作以及章節(jié)安排 本論文對側(cè)饋矩形微帶天線、基于 WLAN C 型槽天線、基于 WLAN雙開 C 型槽天線和基于 WLAN 雙開 C 型槽天線進(jìn)行了深刻細(xì)致的研究，利用三維電磁仿真軟件對 C 形槽天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)及分析，并進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。隨著社會發(fā)展和進(jìn)步，對信息傳輸?shù)囊笠苍絹碓礁撸虼颂炀€的發(fā)展方興未艾。 （ 4）蝴蝶結(jié)槽天線。該天線的縫寬比縫長小很多，且為雙向輻射。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微帶天線無論在理論研究，還是在工藝制造上都將越來越成熟，必將開辟更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。近些年來，隨著通訊設(shè)備的發(fā)展，對天線的性能提出了更高的要求，因此迫切需要對微帶天線進(jìn)行新技術(shù)的研究。 本文設(shè)計(jì)出了一種 C 型槽天線，改變了傳統(tǒng)貼片天線阻抗帶寬窄的缺點(diǎn) ,在較小體積的條件下實(shí)現(xiàn)展寬帶寬的目的。 微帶天線的國內(nèi)外研究進(jìn)展 槽天線作為偶 /單極子天線的互補(bǔ)形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、交叉極化小、輻射性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。由于槽線本身電抗的影響，當(dāng)用微帶線饋電時(shí)，駐波比帶寬 一般限于 57% 。蝴蝶結(jié)天線最初是由雙錐天線的平面化發(fā)展而來，它保留了雙錐天線的極化穩(wěn)定、帶寬無高頻截止等特點(diǎn)，克服了雙錐天線重量比較重，體積也不夠小的缺點(diǎn)；但是目前蝶形槽天線大部分由共面波導(dǎo)饋電，帶寬均在 40%左右，與其它形式的寬槽天線的帶寬尚有很大差距，也不容易發(fā)揮出蝴蝶結(jié)天線本身無高頻截止的阻抗帶寬特性。 微帶天線的優(yōu)勢有低剖面、低成本并可制成多功能、可共形的等，可集成到無線電設(shè)備內(nèi)部，可用于室內(nèi)，也可用于室外，其尺寸可大可小。 論文的具體安排如下： 第一章， 簡單介 紹了微帶天線的定義和應(yīng)用。 為便于比較不同天線的方向特性，通常采用歸一化方向性函數(shù)。 方向性系數(shù) 方向性系數(shù)用來表征天線輻射能量集中的程度，其定義為：在相同的輻射功率下，某天線在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的平方與理想無方向性點(diǎn)源天線（該天線的方向圖為一球面）在同一點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的平方的比值。天線作為饋線的負(fù)載，通常要求達(dá)到阻抗匹配。按軌跡形狀分為線極化、圓極化和橢圓極化。 天線的頻帶寬度的一般定義是：當(dāng)頻率改變時(shí)，天線的電參數(shù)能保持在規(guī)定的技術(shù)要求范圍內(nèi)，將對應(yīng)的頻率范圍稱為該天線的頻帶寬度，簡稱帶寬。 駐波系數(shù)與行波系數(shù) 一般情況下，傳輸線上存在入射波和反射波，它們相互干涉形成駐行波。而駐波狀態(tài)即當(dāng)傳輸線終端開路（）或短路（）或接純電抗負(fù)載時(shí)，線上的反射波振幅與入射波振幅相等，兩者疊加，在線上形成全駐波。 圖 22 表示微帶寬縫天線的結(jié)構(gòu)。方法的基本假設(shè)是： (1) 微帶片和接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn) TEM 波，波的傳輸方向決定于饋電點(diǎn)，線的長度 2/L g?? ， g? 為準(zhǔn) TEM 波的波長。 由于縫已放平，我們在計(jì)算上半空間輻射場時(shí)，就可以按自由空間處理。雖然圓形微帶天線也可以有徑向傳輸線與之對應(yīng)，但一般不常用。 傳輸線法的另一不完善之處是縫導(dǎo)納的計(jì)算，它的電納部分通常是按照準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算的，所得到的等效伸長在高頻條件下不準(zhǔn)確，故實(shí)際上往往通過對樣件的實(shí)測來確定伸長量，這樣得出的數(shù)據(jù)更可靠。 導(dǎo)納的引入，把腔內(nèi)外的電磁問題分開成獨(dú)立的問題，理論上是嚴(yán)格的，只是邊界圖 33 微帶天線上各膜的電場和壁上面的磁流分布 15 導(dǎo)納確定比較困難，使計(jì)算只能是近似的。用矩量法分析微帶天線時(shí)都會遇到SommerfeldType(一類有奇異性的高振蕩函數(shù) )的積分 , 傳統(tǒng)的方法效率很低 , 由于積分時(shí)間很長使得矩量法在微帶天線的應(yīng)用中受到極大的限制。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來計(jì)算。隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種商用電磁仿真軟件涌現(xiàn)出來。根據(jù)天線的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在 HFSS 模型窗口中創(chuàng)建出天線的 HFSS 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。上述操作完成后，整個(gè)仿真計(jì)算由 HFSS 軟件自動完成。 微帶天線的理論基礎(chǔ) 微帶天線有許多種饋電裝置形式，如微帶線饋電、同軸線饋電，耦合饋電（ Coupled Feed）和縫隙饋電（ Slot Feed）等。 設(shè)計(jì)微帶天線的第一步是選擇合適的介質(zhì)基片，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為，對于工作頻率的矩形微帶天線，可以用下式設(shè)計(jì)出高效率輻射貼片的寬度，即 (41) 式中， c 是光速。而我們設(shè)計(jì)要求的工作頻率為 ，與預(yù)設(shè)略有偏差，所以接下來需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)優(yōu)化，使天線的諧振頻率落在 上。 21 根據(jù)上述條件，我們下面又對天線的饋電方式和尺寸進(jìn)行了改動，給天線加上一段1/4 波長阻抗轉(zhuǎn)換器段利用 HFSS 軟件畫出的 3D 圖形如圖 45 所示： 圖 45 加上一段 1/4 波長阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線的 HFSS 設(shè)計(jì)模型 加上一段 1/4 波長阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線的掃頻分析結(jié)果如圖 46： 1 .9 0 1 .9 5 2 .0 0 2 .0 5 2 .1 0 2 .1 5 2 .2 0 2 .2 5 2 .3 0 2 .3 5 2 .4 0 2 .4 5 2 .5 0 2 .5 5 2 .6 04 54 03 53 02 52 01 51 0505S11(dB)F re q (G H z ) S11 ?m ?m 圖 46 加上一段 1/4 波長阻抗轉(zhuǎn)換器后側(cè)饋矩形微帶天線的掃頻分析結(jié)果 從圖中可以看出，諧振點(diǎn)頻率落在了 上，且回波損耗較好，符合工業(yè)上小于 10dB 的要求，匹配得較好。 dy 越小， C 型槽長度越長，頻率越低。 改進(jìn)饋電后的 C型槽天線 因?yàn)樯鲜?C 型槽天線雖然有了一定的優(yōu)化，但還未達(dá)到所希望的要求，因此，我進(jìn)一步對該槽天線的饋電進(jìn)行改善。 表 53 基于 WLAN 雙開 C 型槽天線的參數(shù)設(shè)置（圖中兩個(gè) C 型槽參數(shù)一樣） 基于 WLAN 雙開 C 型槽天線的的掃頻分析結(jié)果： 結(jié)構(gòu)名稱 變量名 變量值（單位：mm） 介質(zhì)基片 厚度 Hs 長度 L1 40 寬度 W1 40 特性阻抗為 50的微帶饋線 長度 L2 20 寬度 W2 C 型槽 長方形① 長 6 寬 3 長方形② 長 7 寬 3 長方形③ 長 22 寬 3 長方形④ 長 7 寬 3 長方形⑤ 長 6 寬 3 36 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 125 04 54 03 53 02 52 01 51 0505S11(dB)F re q (G H z ) S11 ?m ?m ?m ?m ?m ?m 圖 520 基于 WLAN 雙開 C型槽天線的的掃頻分析結(jié)果 從圖中我們發(fā)現(xiàn)，雙開 C 型出現(xiàn)了雙頻，有兩個(gè)頻率段符合小于 10dB 回波損耗，一個(gè)的中心頻率是我們所需的 ，另一個(gè)則是 。 改變 C 型槽寬度 width，探討